Het doel van het project DiVeLOp was het ontwikkelen van een debietproportionele meetopstelling met SorbiCells die toegepast kan worden in waterschapsmonitoring, het Landelijk Meetnet effecten Mestbeleid (LMM) en in de glastuinbouw. Het project heeft geresulteerd in de ontwikkeling van de Flow-Cap. De Flow-Cap kan geïnstalleerd worden op een drain of lozingsbuis en zorgt ervoor dat een vast gedeelte van de totale afvoer door een in de FlowCap aangebrachte SorbiCell stroomt. De SorbiCell registreert de hoeveelheid passerend water door een langzaam oplossend tracerzout en legt de te meten stof vast. Daarmee wordt over de installatieperiode de debietgemiddelde concentratie gemeten. Door de vaste lineaire relatie tussen de afvoer en het bemonsteringsvolume van de in de Flow-Cap geïnstalleerde SorbiCells kan ook de vracht vastgesteld worden.
5.1 Vooronderzoek
Voorafgaand aan DiVeLOp is in een vooronderzoek (Rozemeijer et al, 2010b) middels literatuurstudie en workshops al gekeken naar de haalbaarheid en naar de randvoorwaarden waaraan een nieuw meetsysteem moet voldoen. De belangrijkste conclusies uit dit vooronderzoek zijn:
Het te ontwikkelen meetsysteem moet eenvoudig te installeren zijn, mag geen afvoerblokkerende werking hebben, moet robuust zijn en moet geschikt zijn voor meerdere meetcellen, voor toepassing boven en onder het slootpeil en voor langere meetperiodes (1-6 maanden).
Er zijn nog geen meetsystemen voor het meten van afvoergemiddelde concentraties en vrachten die aan de bovenstaande randvoorwaarde voldoen.
Uit evaluatie van SorbiCells blijkt dat dit passieve meetsysteem goede tijdgemiddelde concentratiemetingen oplevert. Afvoergemiddelde metingen met SorbiCells zijn mogelijk door gebruik te maken van de waterdrukgevoeligheid van de SorbiCells of door een debietproportioneel deel van de afvoer te scheiden en door een SorbiCell te leiden.
5.2 Laboratoriumtests
In het laboratorium van SorbiSense in Denemarken is in eerste instantie getest met de ‘kinetische waterdruk variant’ van het meetsysteem, waarbij de SorbiCells in de stroming van een volgelopen lozingsbuis bevestigd worden. Vervolgens is getest met de Flow-Cap die door een uitlaat met een Sutro-profiel zorgt voor een waterdruk op de SorbiCells die proportioneel is aan de afvoer. De belangrijkste conclusies uit de laboratoriumtests zijn:
De kinetische waterdruk-variant waarmee de eerste experimenten zijn gedaan levert geen reproduceerbare resultaten op. De oorzaak is het verstoren van het stromingspatroon in een buis door luchtbellen en door de SorbiCells zelf.
Er treedt in de labtests geen diffusie van stoffen op vanuit het water de SorbiCells in. De Flow-Cap met meerdere uitstroomgaten in een Sutro-profiel levert wel een
debietproportionele bemonstering op met een lineair verband tussen de afvoer en doorstroomsnelheid door de SorbiCells.
1204035-000-BGS-0026, 8 augustus 2013, definitief
in de laboratoriumtests verklaren 85% van de variantie in de werkelijke vrachten.
5.3 Veldtests
Er zijn veldtests gedaan op een glastuinbouwbedrijf in Bleiswijk, een proefboerderij (de Rusthoeve) in Zeeland en een bedrijf in Zeewolde uit het Landelijke Meetnet Effecten Mestbeleid (LMM) van het RIVM. In het eerste drainageseizoen (2011-2012) is nog getest met de ‘kinetische waterdruk variant’. Deze variant bleek uiteindelijk geen reproduceerbare resultaten op te leveren. In het drainageseizoen van 2012-2013 is getest met de Flow-Cap. Op de veldlocaties zijn de Flow-Caps op verschillende manieren aangesloten op de drains en lozingsbuizen. Ook zijn er verschillende typen SorbiCells in de Flow-Caps geïnstalleerd. De belangrijkste conclusies van de veldmetingen op de glastuinbouwlocatie in Bleiswijk zijn:
Lozingen zijn zeer onregelmatig, concentraties veranderen tijdens de lozing. Vrachtschattingen op basis van steekmonsters zijn daardoor onzeker. Dit onderstreept het belang van een afvoerproportioneel meetsysteem.
De concentraties van het lozingswater op de proeflocatie zijn erg hoog. De adsorptiecapaciteit van de SorbiCells wordt daardoor relatief snel overschreden. Dit is te voorkomen door SorbiCells met een hogere weerstand te gebruiken.
Met de SorbiCell-NiP werden in deze tests de beste resultaten verkregen doordat de adsorptiecapaciteit niet overschreden is.
Met de SorbiCells in de Flow Cap in combinatie met debietmetingen (zijn nitraatvrachten berekend voor de installatieperiodes.
Doordat de nitraatconcentratie meestal buiten het bereik van de Nitratax lag, is een vergelijking met vrachten op basis van een continue meting niet mogelijk.
De belangrijkste conclusies van de veldmetingen op Proefboerderij de Rusthoeve zijn:
Veel Flow-Cap testmetingen op de Rusthoeve zijn door verschillende oorzaken (zie volgende conclusies) niet of niet volledig gelukt. De werkelijkheid is weerbarstig en in het uitgevoerde onderzoek is de veldbezoekfrequentie te laag geweest. Hierdoor kon onvoldoende worden ingespeeld op de werkelijke gang van zaken. Betere resultaten zouden zijn verkregen als de locatie minimaal één keer per week was bezocht. Uit financieel oogpunt was dit niet mogelijk en er is achteraf teveel uitgegaan van verwachtingen.
De gelukte metingen komen qua grootte orde redelijk overeen met de continue gemeten concentraties en afvoeren. Duploverschillen zijn echter groot.
Controle van de Flow-Cap op lekkage en doorstroming van de SorbiCells in periodes met afvoer is belangrijk.
De Flow-Caps op de Rusthoeve waren gedimensioneerd op een debiet van 600 m3 per dag. Door de veel lagere werkelijke debieten (max 50 m3 per dag) is er door veel SorbiCells te weinig doorstroming geweest. Ook voor het bijstellen van de dimensionering is regelmatige controle belangrijk.
Concentraties in dood volume dalen door denitrificatie; het is belangrijk te voorkomen dat er dood volume is en/of te voorkomen dat dit dode volume door de SorbiCells weglekt en dus bemonsterd wordt.
1204035-000-BGS-0026, 8 augustus 2013, definitief
bij de tests op de Rusthoeve hebben de 10 ml NiP SorbiCells de beste doorstroomhoeveelheden gehad.
De Flow-Cap is robuust genoeg voor toepassing in opstellingen zoals bij de Rusthoeve; geen verstopping, wel goede doorstroming door de SorbiCells.
De belangrijkste conclusies van de veldmetingen op de LMM meetlocatie in Zeewolde zijn: Het is belangrijk te voorkomen dat de Flow-Cap opstuwing van drainwater
veroorzaakt. Niet alleen in verband met vernatting van het perceel, maar ook omdat de afvoer en de vrachtmeting zelf teveel beïnvloed worden.
Dichtslibben van de Sutro-openingen bleek niet op te treden.
De Sutro-opening bleek ondergedimensioneerd tijdens hoge afvoer, maar de noodoverloop ter voorkoming van opstuwing heeft goed gewerkt. Flexibiliteit in de afvoercapaciteit (de grootte van de Sutro-opening) is een pré voor vervolgontwerpen. De Flow-Cap is robuust, gebruiksvriendelijk en eenvoudig te installeren en weg te
nemen. Om het bevestigen van de SorbiCells makkelijker te maken en lekkage te voorkomen zijn rubbers aangebracht. Lekkage langs bevestigingsranden is eenvoudig opgelost door af te tapen. Bij vervolgontwerpen zal lekkage geminimaliseerd moeten worden.
De Flow-Cap metingen zijn niet nauwkeurig te controleren aangezien in Zeewolde geen steekmonster- of sensormetingen zijn gedaan. De duplo FlowCap-metingen komen wel goed overeen en er is een redelijk verband met de Nitracheck NO3- concentratiemetingen (met beperkte nauwkeurigheid).
De veldtests hebben laten zien de Flow-Caps goed kunnen werken onder veldomstandigheden. Door uiteenlopende oorzaken zijn echter niet alle metingen goed gegaan en is de debietproportionele werking onder veldomstandigheden nog niet goed aangetoond. Aan de hand van de praktijkervaringen is het meetsysteem voor zover mogelijk gaandeweg al verbeterd en gebruiksvriendelijker gemaakt. Aangezien er maar één seizoen met de Flow-Caps is getest, was het binnen dit project niet mogelijk een geoptimaliseerd ontwerp en meetprotocol van de Flow-Cap te maken en te testen. Met name voor de glastuinbouwlocatie hebben continue debiet- en concentratiemetingen bevestigd dat een Flow-Cap een nauwkeurigere (en in dit geval een lagere) vrachtmeting oplevert dan de gebruikelijke steekmonsters.
5.4 Aanbevelingen
De Flow-Cap is klaar om ook getest te worden op andere locaties, voor andere stoffen en/of voor andere typen lozingen. De veldervaringen met de Flow-Caps zijn echter nog te beperkt om direct goede vrachtmetingen te kunnen garanderen. Zeker in de beginfase van een meetcampagne moet de werking goed gecontroleerd worden. We bevelen aan om regelmatig (bijvoorbeeld wekelijks) de werking van de Flow-Caps te controleren, zodat tijdig ingespeeld kan worden op de lokale omstandigheden. Daarbij zijn twee aspecten belangrijk:
Controleer de debietproportionele werking. Dit kan door bij veldbezoeken handmatig gemeten afvoeren te vergelijken met druppelsnelheden door de SorbiCells. Ook moet de doorstroming van de SorbiCells stoppen als er geen afvoer is. Daarnaast kan gecontroleerd worden of er water door de nooduitlaat gegaan is en er een grotere Sutro-opening nodig is.
Voorkom dat de doorstroomcapaciteit (ca. 300-400 ml bemonsteringsvolume) van de SorbiCells overschreden wordt. Door SorbiCells met verschillende weerstanden te
1204035-000-BGS-0026, 8 augustus 2013, definitief
installeren kan per locatie het meest geschikte type gevonden worden. Ook is het raadzaam bij de eerste metingen regelmatig te controleren hoe snel het tracerzout verdwijnt.
Uit de veldtest op de glastuinbouwlocatie is gebleken dat bij de hoge ionenconcentraties in de lozing de capaciteit van het adsorptiereservoir mogelijk overschreden wordt. Dit is op te lossen door de grotere 10ml SorbiCells te gebruiken met een grotere weerstand. Hoe snel het adsorptie reservoir opvult is echter niet visueel te controleren tijdens veldbezoeken.
Aan de hand van de in dit project opgedane praktijkervaringen is het aan te bevelen een geoptimaliseerd ontwerp en meet- en bevestigingsprotocol voor de Flow-Cap te maken. Enkele ideeën voor verbeteringsmogelijkheden voor de Flow-Cap zijn:
In plaats van (geboorde)gaatjes die een Sutro-profiel benaderen kan ook een exact Eiffeltoren-vormig Sutroprofiel uitgefreesd worden. Dit verbetert de precisie van de meting en verkleint de kans op verstoring van de uitstroom door dichtslibben of het blijven hangen van grassprietjes of andere deeltjes.
De schijf met het Sutro-profiel en de bevestigingsplekken voor de SorbiCells kan uitschuifbaar gemaakt worden. Dat maakt het makkelijker de SorbiCells te verwisselen. Ook kan de Sutro-opening dan eenvoudiger worden vervangen door een kleinere of grotere opening als de afvoercapaciteit kleiner kan of groter moet.
De bevestigingsplekken van de SorbiCells kunnen met een rubberen ring uitgerust worden om het verwisselen makkelijker te maken en lekkage langs de randen te voorkomen. Een rubberen aansluitstuk tussen de Flow-Cap en de drain kan lekkage langs de bevestigingsranden voorkomen.
Er kunnen bevestigingsplekken voor SorbiCells op verschillende hoogtes ten opzichte van het Sutro-profiel aangebracht worden. Dat maakt het mogelijk om alleen afvoerpieken te bemonsteren. De bevestigingsplekken kunnen afsluitbaar worden gemaakt voor het geval dat ze niet gebruikt worden.
De veldervaringen hebben verschillende vragen opgeroepen die met relatief eenvoudige experimenten te beantwoorden zijn. Het gaat daarbij vooral om de robuustheid van de vrachtmetingen met Flow-Caps onder uiteenlopende omstandigheden die in het veld kunnen voorkomen. Het was binnen dit project niet meer mogelijk te testen of de debietproportionele werking gehandhaafd blijft als de Flow-Caps onder water uitkomen of als de Flow-Caps (iets) scheef geïnstalleerd zijn. Ook is nog niet gecontroleerd of de Flow-Cap onder alle mogelijke veldcondities (vorst, hitte, zwevend stof, bacteriegroei) goede vrachtmetingen blijft opleveren.
1204035-000-BGS-0026, 8 augustus 2013, definitief
6 Literatuur
De Jonge, H., and G. Rothenberg (2005). New device and method for flux-proportional sampling of mobile solutes in soil and groundwater. Environ. Sci. Technol. 39, 274-282. Harmsen, J., J. van Kleef (2013); Meten van nutriëntenemissies met Sorbicellen op de Rusthoeve. Alterra-rapport 2402, Wageningen.
Holdsworth, P.M. & G. Roberts. 1982. A flow-proportional sampler for plot and lysimeter studies. Journal of Hydrology 57, 389-393.
Jansen, R., E. van Os, E. Beerling (2011). Voorstel ‘Standaard water’ voor toetsing zuiveringstechnologie voor de glastuinbouw. Wageningen UR Glastuinbouw, Wageningen. Makarewicz, J.C., D’Aiuto, P.E., Bosch, I. (2007). Elevated Nutrient Levels from Agriculturally Dominated Watersheds Stimulate Metaphyton Growth. J. Great Lakes Res. 33, 437–448. Oenema, O., Oudendag, D., Velthof, G.L. (2007). Nutrient losses from manure management in the European Union. Livest. Sci. 112, 261-272.
Rozemeijer, J.C., Van der Velde, Y., De Jonge, H., Van Geer, F.C., Broers, H.P., Bierkens, M.F.P. (2010a). Application and evaluation of a new passive sampler for measuring average solute concentrations in a catchment-scale water quality monitoring study. Environ. Sci. Technol. 44, 1353-1359.
Rozemeijer, J.C., Visser, A., De Jonge, H., Klein, J. (2010b). Debietproportioneel meten met SorbiCells. Vooronderzoek. Deltares rapport 1202742-000-BGS-0004-cl, Deltares, Utrecht Rozemeijer, J.C., Van der Velde, Y., Van Geer, F.C., Bierkens, M.P.F., Broers, H.P. (2010c). Direct Measurements Of The Tile Drain And Groundwater Flow Route Contributions To Surface Water Contamination: From Field-Scale Concentration Patterns In Groundwater To Catchment-Scale Surface Water Quality. Environ. Pollut. 158, 3571-3579.
Schipper, P.N.M, M.L. Van der Schans, 2012. Eindrapportage Praktijkproef peilgestuurde diepdrainage in Zeeland. Grontmij, De Bilt.
Van Vliet, M.E., Passier, H.F., Van der Grift, B., Brils, J., Joziasse, J., Schipper, P., Clement, P., Van Lanen, R. (2006). Herkomst stoffen in het Maasstroomgebied, TNO-rapport 2006-U- R0095/B, TNO Bouw en Ondergrond, Utrecht.
Weijters, M.J., Janse, J.H., Alkemade, R., Verhoeven, J.T.A. (2009). Quantifying the effect of catchment land use and water nutrient concentrations on freshwater river and stream biodiversity. Aquat. Conserv. 19, 104–112.
1204035-000-BGS-0026, 8 augustus 2013, definitief